THIẾT KẾ THÙNG LOA SỬ DỤNG PASSIVE RADIATOR

THIẾT KẾ LOA SỬ DỤNG BỘ CỘNG HƯỞNG BASS THỤ ĐỘNG (PASSIVE RADIATOR)

Loa Sansui sử dụng passive radiator

Trên hầu hết các diễn đàn làm loa DIY tại VN, tôi thấy anh em làm loa thùng hơi (bass reflex) 100% là dùng lỗ thông hơi thay vì dùng bộ cộng hưởng bass, phần là vì nó đơn giản dễ làm, phần là vì nó rẻ, thậm chí có thẻ kiếm mấy cái lõi giấy vệ sinh làm ống thông hơi, phần vì nó phổ biến.

Loa Sony SS967 sử dụng passive radiator ở mặt sau của loa. 

Tuy nhiên ở những bộ âm thanh trung bình và lớn, phổ biến là loa cây, họ hầu như sử dụng passive radiator trong các hệ thống của họ, an hem mà cứ nhìn thấy 1 cái loa cây mà có 2 loa bass giống hệt nhau trên cùng một loa hoặc có đường kính bằng nhau và không thấy lỗ thông hơi đâu thì thể nào một trong 2 cái loa bass đó chính là passive radiator hay anh em còn gọi nôm na là bộ cộng hưởng bass thụ động. Thụ động ở đây (passive) tức là nó không tự dao động được mà nó chỉ dao động khi áp suất bên trong thùng loa thay đổi theo củ loa bass chính.

Hệ thống loa sử dụng passive radiator thì cũng cũng rất giống với hệ thống loa sử dụng ống thông hơi (bass reflex). Tuy nhiên, thay vì sử dụng lỗ thông hơi thì nó sử dụng passive radiator để mở rộng dải tần thấp bằng việc đưa tín hiệu âm trầm ở trong thùng loa ra bên ngoài đồng pha với tiến hiệu phát ra từ loa chính thông qua passive radiator. Với cùng một củ loa chính thì đáp tuyến của hệ thống loa sử dụng lỗ thông hơi và hệ thống loa sử dụng passive radiator gần như là như nhau. Tuy nhiên hệ thống loa sử dụng passive radiator cho biên độ tại tần số cắt (-3dB) cao hơn và độ dốc đáp tuyến ở tần số cắt sâu hơn so với hệ thóng loa sử dụng lỗ thông hơi. Nếu thiết kế chuẩn, một bộ loa nhỏ sử dụng passive radiator có thể có âm trầm của những bộ loa lớn hơn nhiều.

Thường thì để tạo ra tần số thấp, càng thấp thì càng cần phải di chuyển nhiều không khí, và để tạo ra tiếng bass tốt thì loa bass cần phải lớn, và lớn thì có nghĩa là âm trầm mạnh hơn và bass trong hơn. Nhưng với sự xuất hiện của PR, thì lại không cần phải có loa bass lớn nữa mà vẫn tạo ra được âm trầm mong muốn. Có thể dụng một củ loa nhỏ thôi nhưng sử dụng passive radiator lớn, passive radiator càng lớn thì tần số cộng hưởng của nó càng thấp với cùng một thể tích thùng và tần số cộng hưởng riêng của thùng và như vậy thì đáp tuyến tần số thấp của loa sẽ tốt mặc dù củ loa chính nhỏ. 

Một số sản phẩm passive radiator của Tang Band mà tôi nhập về để test với các củ loa nhỏ của tôi. Kích thước 8cm và 10cm, chất liệu là cao su đặc, gân cao su, rất nhẹ.

Một bộ cộng hưởng bass thụ động nhìn từ bên ngoài thì giống hệt như một loa bass thông thường nhưng bên trong thì nó không có nam châm, không có cuộn âm, tóm lại là không còn phần điện, chỉ còn phần cơ gồm (gân, màng, và khung). Và nó hoạt động (rung, di chuyển ra vào) dựa vào áp suất không khí bên trong thùng giãn nở theo loa chính. Khi màng loa chính di chuyển vào bên trong thùng, áp suất trong thùng tăng lên và làm cho màng của PR di chuyển ra bên ngoài loa và làm di chuyển một lương không khí tương đương với lượng không khí bị nén bên trong thùng loa và tạo ra âm thanh. Áp suất càng mạnh thì lượng không khí nó di chuyển càng lớn và tạo ra âm trầm càng lớn, áp suất nhỏ thì lượng không khí nó di chuyển ít. Và ngược lại khi màng loa chính di chuyển ra bên ngoài thùng thì áp suất không khí bên trong thùng giảm và màng loa của PR sẽ thụt vào trong để cân bằng hay còn gọi là damping cho màng loa chính, giúp cho màng loa chính không bị dao động quá giới hạn của nó gây méo tiếng hoặc hỏng loa và từ đó làm cho đặc tuyến tần số bằng phẳng hơn.

Ưu điểm của bộ cộng hưởng bass thụ động so với hệ thông bass reflex sử dụng lỗ thông hơi:

1.Khi hoạt động ở cường độ cao, lỗ thông hơi sẽ tạo ra những rít do không khí dao động nhanh với áp suất lớn chạy qua lỗ thông hơi nhưng PR thì sẽ không bao giờ có tạp âm đó.

2.Sẽ không có sự rò rỉ của âm trung (midrange leakage) ra khỏi lỗ thông hơi khi sử dụng PR.

3.Tiết kiệm thể tích thùng. Chỉ cần thùng nhỏ mà vẫn cho âm bass tốt. Trong khi nếu sử dụng ống thông hơi thì để có âm bass tốt phải có lỗ to mà lỗ to thì ống phải dài mà ống dài thì phải có thùng to.

4.Dễ sử dụng và dễ thiết kế, điều chỉnh. Đối với các bộ passive radiator, rất dễ dàng điều chỉnh trọng lượng của nó để tăng giảm dải tần thấp bằng cách tháo lắp các miếng kim loại nhôm có trọng lượng khác nhau được gắn vào phía sau của passive radiator. Trong trường hợp cảm thấy tiếng bass chưa được thật sâu có thể tăng thêm trọng lượng của passive radiator bằng cách lắp thêm một miếng DW50 (nặng 50g) của SB Acoustics (270K/ cặp) để cho nó nặng thêm, nếu cần thêm nữa thì lắp thêm. Anh em cũng có thể diy lấy một cặp này cũng đc, ko phải mua.

SB Acoustics DW50, 270k/cặp, nặng 50g. Hoặc có thể mua của Dayton Audio, họ bán sẵn, mua về chỉ việc lắp vào đít và cố định bằng ốc tai đi kèm là xong. 

5.Công suất xử lý cao hơn và ít méo hơn.

Nhược điểm:

1.Đáp tuyến có độ dốc lớn hơn và xuống nhanh hơn, có một điểm lõm trước fo làm cho đáp tuyến không được thực sự bằng phẳng.

Hình dưới khi so sánh 3 loại thùng: Thùng kín, thùng bass reflex và passive radiator

2. Băng thông hẹp hơn một chút so với thùng bass reflex thong thường.

Nhìn đáp tuyến có thể thấy là thùng kín (Sealed) có độ dốc mượt mà nhất, tiếp đó là thùng bass reflex có độ dốc lớn hơn nhưng dải tần đáp ứng rộng hơn. Cuối cùng mới là passive radiator nếu xét về độ rộng đáp tuyến. Nhưng xét về độ dốc đáp tuyến thì passive radiator có độ dốc tốt nhất gây ra ít những vấn đề của sóng đứng trong thùng bass reflex thông thường. 

Khi chọn lựa passive radiator cho củ loa chính để thiết kế thì thông thường chúng ta sẽ cần chọn dựa trên 3 thông số quan trọng nhất, đó là: kích thước đường kính, độ đàn hồi (Cms) và thể tích đàn hồi (Vas), chúng ta cần chọn sao cho 3 thông số này tương đương so với củ loa chính, nếu chọn được radiator có độ đàn hồi (Cms) cao hơn thì càng tốt.

1.Kích thước của passive radiator phải tương đương hoặc lớn hơn so với củ loa chính, chính xác hơn là thông số Sd của passive radiator (diện tích hiệu dụng của passive radiator). Sd có thể tính là toàn bộ diện tích màng loa của passive radiator, không tính khung, viền của nó. Để tính được Sd có thể dùng công thức R = (Sd / PI)^0.5  trong đó, Pi = 3.14 và R là bán kính của passive radiator, đơn vị của Sd là cm2 và đói với các bộ passive radiator bán mới trên thị trường thì nhà sản xuất đều cho sẵn. Không phải tính. Sau đó mình so sánh với Sd của củ loa chính là ok, nếu lớn hơn Sd của củ loa chính tầm 1 tới 1.2 lần thì là tốt nhất.

2.Độ đàn hồi (Cms, thể hiện mức độ tương thích giữa các hệ thống gân, nhện, màng loa… của củ loa cũng như của passive radiator, Cms càng cao thì càng tốt) để biết hệ thống gân, nhện và màng loa của passive radiator có giống với Cms của củ loa chính hay không, điều này hết sức quan trọng, nếu kém hơn loa chính, thì tốc độ phản xạ theo áp suất thùng của passive radiator sẽ kém hơn, chậm hơn so với củ loa chính. Nó giống như bắt chước vậy, phải thật nhanh và chuẩn.

3.Thể tích đàn hồi (Vas), đây là thông số rất quan trọng của cả củ loa chính và passive radiator. Thông số này dùng để tính thể tích thùng cần thiết của mỗi một củ loa chính, không có nó thì không thể tính được. Cần chọn sao cho Vas của cả 2 xấp xỉ bằng nhau hoặc hơn nhau không đáng kể, tức là thể tích thùng thực tế của loa theo củ loa chính bằng với thể tích thùng cần có cho con passive radiator.

Thực tế thì khá khó để có thể tìm được một passive radiator giống hệt với củ loa chính cả về Sd, Cms và Vas vì các model passive radiator hiện tại không có nhiều để lựa chọn. Chúng ta chỉ có thể tìm được những bộ passive radiator tương đối nhất cho củ loa chính mà thôi.

Nếu chúng ta tìm được cặp passive radiator có Vas và Cms tương đương với củ loa chính chính thì có thể sử dụng bảng ở dưới đây để xác định các thông số cần thiết của thùng loa passive radiator.

Chúng ta lưu ý là có 2 cách để thiết kế thùng loa sử dụng passive radiator; một là chúng ta tính thể tích thùng theo các thông số củ loa chính (Vas, Fs) cho thùng bass reflex thông thường rồi thay ống thông hơi bằng một passive radiator có các thông số tương đương như tôi nói ở trên. Hai là dựa vào thông số (Vas, Cms, Sd) của củ loa chính, cứ tìm một cặp passive radiator tương đương với nó rồi dùng cái bảng trên để tính ra thể tích thùng sau.

Bây giờ tôi giả thiết là tôi muốn làm một thùng sử dụng con đồng trục 30cm Eminence Beta 12CX (5,690,000/ cặp) có gắn một con tép nén Eminence ASD1001 (1,890,000/ cặp) vào sau đít, rồi giờ thay vì đóng thùng lỗ thông hơi cho nó thì tôi muốn sử dụng passive radiator cho con đồng trục này, có Cms là 0.3mm/N và Vas = 121 lít, Sd = 539cm2.

Đồng trục chờ Eminence Beta 12CX (5,690,000/ cặp)

Tép nén Eminence ASD1001 (1,890,000/ cặp). 

Sau khi tìm kiếm thì tôi tìm được một em passive radiator 30cm của Dayton Audio, model SD315-PR, có thông số tương đương với Beta 12CX với các Cms, Vas và Sd tương ứng là 0.45mm/N, 147.3 lít và 480cm2. Passive radiator này đáp ứng được yêu cầu do có Cms cao hơn, Vas cũng không quá lớn so với Beta 12CX và Sd gần như nhau. Nói chung đó là sản phẩm khả dĩ nhất, giá cũng tốt, tầm 2t/ cặp. Rồi, để sử dụng bảng trên tôi cần biết Qts của Beta 12CX là bao nhiêu, tra thông số của hãng thì Qts của nó là 0.48. Nhìn vào bảng trên và gióng sang. Qts = 0.48, H = 1, Alpha = 0.73, f3/fs = 0.95.

Passive radiator của Dayton Audio, SD315-PR

Từ đây suy ra, thể tích thùng sử dụng passive radiator cần có sẽ là Vb = Vas / α = 121 lít / 0.73 = 168 lít (từ đây anh em có thể suy ra kích thước 3 cạnh của thùng bằng cách lấy 3 cạnh nhân với nhau khi nào bằng 168,000 thì thôi (ví dụ như 1 cạnh là 50cm x 1 cạnh là 55cm x 1 cạnh là 60cm), lưu ý là nên theo tỷ lệ vàng cho âm thanh tốt nhất, tôi đã biên một bài về vấn đề này rồi, anh em tìm đọc).

Tần số cộng hưởng của thùng khi đó sẽ là fB = H * fs = 1 * 47 = 47 Hz.

Để điều chỉnh tần số cộng hưởng của thùng cho thấp hơn thì nếu như ở thùng bass reflex chúng ta điều chỉnh độ dài của ống thông hơi hay đường kính của ống thông hơi thì ở trường hợp passive radiator chúng ta thay đổi trọng lượng của màng loa của passive radiator, tức là ghép thêm một miếng kim loại hoặc gỗ hoặc gì đó vào đằng sau (chỗ đáng lẽ ra gắn nam châm của passive radiator) của passive radiator. Thông thường passive radiator được bán thương mại sẽ bán kèm một số miếng nhôm, mỗi miếng nặng độ chừng 50g tới 100g để anh em mua  về điều chỉnh, nếu cảm thấy bass của thùng chưa đủ sâu, có thể gán thêm vào đít passive radiator một miếng, nếu chưa đủ thì gán thêm miếng nữa… cho tới khi vừa tai thì thôi. Miếng nhôm kiểu này an hem tự cắt cnc cũng đc, ko cần phải mua.

Bảng này cho thấy các thong số của thùng loa thay đổi ra sao với số lượng đĩa nhôm được gắn vào đít của passive radiator. Với số lượng 6 đĩa gắn cả vào đít của passive radiator thì ta thấy Fs của passive radiator xuống tới tận 12.5Hz. 

Đồ thị dưới đây cho thấy việc thay đổi trọng lượng của dust cap của passive radiator ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng của thùng ra sao.Mỗi một đường cong tương ứng với trọng lượng của PR được thay đổi, từ 0g cho tới 220g. Với đường cong của PR có trọng lượng 220g, tần số cộng hưởng của thùng xuống sâu nhất và kích thước thùng nhỏ nhát.

Nếu passive radiator quá lớn so với thùng hoặc nhìn ko thuận mắt thì có thể chia làm 2 tậm chí 3, 4 passive radiator nhỏ hơn miễn sao tổng diện tích bề mặt phản xạ hiệu dụng của tất cả các passive radiator nhỏ bằng với passive radiator lớn. Đường kính hiệu dụng được tính bằng xấp xỉ đường kính bề mặt của passive radiator + 1/3 của gân.

Đó là trường hợp thiết kế thùng sử dụng bảng tính ở trên, còn nếu không thích, an hem có thể dùng theo phương án như tôi đã chia sẻ, đó là cứ tính thùng của củ loa chính trước xem nó có thể tích là bao nhiêu tối ưu nhất dựa vào các thông số Vas, Fs, Sd của nó, sau đó tìm các sản phẩm passive radiator tương ứng với Vas, Cms, Sd của củ loa chính rồi lắp vào, nghe thử nếu thấy thiếu bass thì lắp thêm các miếng nhôm vào, cứ như vậy.

Maybelle Vietnam/ Audible Hertz Shop